论文部分内容阅读
多组元高熵合金具有高熵效应,严重的晶格畸变和缓慢的扩散效应,容易形成简单的固溶体相,通常表现出高强度,高硬度,良好的抗高温软化能力等,被视为极具潜力的高温结构材料及功能材料。由难熔金属元素组成的具有单相BCC结构的MoNbTaW高熵合金具有优异的高温性能,在1600℃的温度下仍显示出高于400 MPa的工程屈服强度和600 MPa的极限抗压强度,但室温塑性差,极大地限制了其广泛应用。为获得室温和高温综合性能优异的高温材料,本文通过合金化在MoNbTaW高熵合金中添加铼（Re）元素制备RexMoNbTaW高熵合金,以提高合金的室温强韧性;在此基础上进一步添加陶瓷相TaC,通过成分和结构设计原位形成Re0.5MoNbW（TaC）x共晶复合材料,对高熵合金的室温和高温力学性能进行优化。本文利用物化参数判据和CALPHAD软件预测RexMoNbTaW合金的物相组成,并采用粉体原料通过电弧熔炼法制备了RexMoNbTaW高熵合金,研究了Re添加量和原料形态对合金组织结构和力学性能的影响;揭示了合金的相形成机理和强韧化机制。结果表明,理论预测高熵合金非平衡状态的组织结构与实际较为相符,需要充分考虑原料状态并结合相图进行分析。采用粉体原料熔炼5次制备的Re0.5MoNbTaW高熵合金由BCC固溶体相和弥散分布的2Nb2O5·Ta2O5氧化物析出相组成,BCC基体晶粒尺寸较小,合金的室温强韧性较为优异,其维氏硬度,工程屈服强度、极限抗压强度和断裂应变分别为567±9 HV,1147±10MPa,1465±18 MPa和7.01±0.30%。该合金中氧化物颗粒的析出主要是源于粉体原料的高表面能导致的表面氧化,从而引入了氧元素。RexMoNbTaW高熵合金的强化机制为氧化物析出产生的弥散强化和BCC基体晶粒细化产生的细晶强化,其塑性改善主要源于BCC基体的晶粒细化。本文结合相图和CALPHAD软件预测Re0.5MoNbW（TaC）x复合材料的物相组成,并采用粉体原料和电弧熔炼法制备了Re0.5MoNbW（TaC）x共晶复合材料,分析了TaC添加量对复合材料组织结构的影响,深入探讨了复合材料的相形成机理以及高温相稳定性。结果表明,Re0.5MoNbW（TaC）x共晶复合材料由BCC固溶体相和FCC结构的多组元碳化物相（Nb,Ta,Mo,W）C（简称:FCC-MC）组成。当TaC添加量为0.9时,体系形成完全共晶组织。随着TaC添加量的增加,复合材料的微观结构由亚共晶组织（BCC初生相+共晶组织）向完全共晶组织,再向过共晶组织（FCC-MC初生相+共晶组织）发生转变,其形成过程可通过热力学平衡相图中的凝固过程进行分析。在层片状共晶组织中,BCC相和FCC-MC相在相界面处结合良好,并存在一定的取向关系,即:（（?）10）BCC//（200）FCC-MC,[113]BCC//[011]FCC-MC。高温高压下,Re0.5MoNbW（TaC）x共晶复合材料具有良好的相和结构稳定性,经1400℃保温10h高温退火后,其组织结构基本保持不变。经1200℃高温压缩且压缩应变为35%时,Re0.5MoNbW（TaC）0.5复合材料中发生BCC初生相的晶粒尺寸长大,Re0.5MoNbW（TaC）0.9和Re0.5MoNbW（TaC）1.0的相组成和组织结构保持不变。本文测试分析了Re0.5MoNbW（TaC）x共晶复合材料的室温和高温力学性能,探讨了TaC添加量对复合材料力学性能的影响,分析了室温断裂特征以及室温和高温压缩变形机制,揭示了Re0.5MoNbW（TaC）x共晶复合材料的室温和高温增强增韧机理。结果表明,室温压缩时,Re0.5MoNbW（TaC）0.5共晶复合材料的断裂应变达到10.25±0.41%,Re0.5MoNbW（TaC）0.9共晶复合材料的工程极限抗压强度达到2555±46 MPa,Re0.5MoNbW（TaC）1.0共晶复合材料的维氏硬度和工程屈服强度分别达到723±13 HV和1511±40 MPa。复合材料室温压缩时均呈现穿晶断裂,共晶组织中BCC与FCC-MC相界面保持良好结合,且具有一定的晶体学取向关系,即:（1（?）0）BCC//（（?）20）FCC-MC,[111]BCC//[112]FCC-MC。复合材料的室温强化主要是FCC-MC相的第二相强化和细晶强化,Re0.5MoNbW（TaC）0.5共晶复合材料较好的塑性源自BCC初生相的晶粒细化。高温压缩时,复合材料呈现出良好的强塑性,Re0.5MoNbW（TaC）0.9共晶复合材料的屈服强度和极限抗压强度达到极大值,1200℃下的工程屈服强度和极限抗压强度分别为1204 MPa和2165MPa,真实极限抗压强度为1400 MPa,远高于现有高温材料。1200℃压缩后,共晶组织中的BCC和FCC-MC相均具有较高的位错密度,且在相界面处存在位错堆积,呈现良好的半共格界面和晶体学取向关系,即:[111]BCC//[011]FCC-MC,（10（?））BCC//（200）FCC-MC。复合材料高温下的高强度来自于共晶界面的位错阻碍以及两相内部缺陷相互作用产生的加工硬化作用,高塑性则来自于相对软质BCC相的位错运动。